氯气制备及性质实验的一体化设计

李猛 王世存

摘要：鉴于教材中氯气性质实验存在用料多、耗时长、污染大等不足，在文献梳理的基础上，结合中学化学教学实际，遵循可操作性原则，对氯气制备及性质实验进行了一体化改进设计。该一体化实验可以通过一次实验连续完成氯气制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质的验证。减少了试剂用量，防止了环境污染，体现了绿色化学思想、培养了学生环保意识，并为其他性质实验的改进提供了思路。

关键词：氯气制备；性质实验；一体化；实验设计；实验改进

文章编号：1005–6629（2016）8–0060–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准（实验）》实施建议中指出：“要鼓励教师和实验管理人员开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验，同时也鼓励学生和教师设计富有特色的实验和实践活动。[1]”为此对人教版化学1（必修）第四章第二节[实验4-4]和[实验4-5] [2]进行实验改进的优化设计。

教材上的实验方法存在以下问题：

（1）氯气制备和性质实验是分开进行的，存在试剂用量大、仪器多、操作繁等不足。

（2）需要课前制备氯气并保存在广口瓶中，实验操作中氯气易逸散，污染教室内环境，危害师生身体健康，不利于培养学生的环保意识。

（3）该实验只验证了氯水的漂白性，对氯气的酸性、氧化性、与金属反应等并未涉及，而这些性质又是氯气的重要性质，不利于学生形成系统全面的知识。

针对以上问题，查阅了大量文献，发现已有不少学者对氯气的性质实验做了改进研究，取得了较多成果。

如：李海燕的“新课标下的氯气漂白性质的实验改进”[3]，见图1。这是一个封闭的实验装置，能防止氯气对空气的污染，能够完成氯气制备及漂白性的验证，是对教材实验较好的改进。但是该装置并未对氯气的氧化性、酸性、与金属反应等性质作验证。

罗兵的“氯气制备及性质实验装置的组合化与微型化设计”[4]，见图2。这个组合化、微型化的实验装置，一次实验就能够完成氯气制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质的验证，同时尾气处理装置能防止氯气对空气的污染。但是，该装置不能对氯气漂白作用的不可逆性进行验证，且所用材料仪器较多，课堂搭建装置较复杂。

于永民的“氯气的制备及其性质实验的微量化设计”[5]，见图3、图4、图5、图6。

该装置利用注射器、球型干燥器巧妙地完成了氯气制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质的验证。但是，该装置每次只能完成氯气一个性质的验证，实验耗时长，不利于节约课堂时间，也不能对氯气漂白作用的不可逆性进行验证。

通过对文献的梳理，确保设计的实验装置能够一次完成氯气的制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质实验，且能够对氯气漂白性的不可逆性进行验证。采用Y型试管与长颈漏斗结合完成氯气的制取；采用Y型试管、硬质玻璃管和球型干燥器结合完成氯气诸多性质的验证；采用Y型试管A端褪色后，加热红色不恢复，验证氯气漂白性的不可逆性，为后面学习二氧化硫使品红溶液褪色的不同反应机理做铺垫；采用倒置的普通漏斗与烧杯结合组成氯气的尾气处理装置，确保尾气的吸收，防止空气污染，体现了绿色化学的思想。

根据以上设计思路，结合中学化学教学实际，设计了氯气制备及性质实验一体化的实验装置。该装置的使用能够连续完成氯气制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质以及对氯气漂白作用的不可逆性的验证。实验过程中试剂用量少、防止环境污染、现象较明显，充分体现了绿色化学的理念，突出了化学学科特征，发挥了实验的教育功能。

2 实验部分

2.1 实验原理

实验室通常采用浓盐酸和二氧化锰在加热的条件下制取氯气。浓盐酸在加热的条件下，容易挥发出HCl气体，对氯气性质验证造成干扰。KClO3与稀盐酸几乎不反应或反应很慢，与浓盐酸反应也不理想且会挥发出HCl气体。KMnO4反应较快较剧烈，但不易控制反应速率，且试剂有颜色。而漂粉精片[Ca（ClO）2]反应速率较适中，且不需加热，容易获得，较低浓度的盐酸就能与漂粉精片反应，速度适中易于观察，挥发性杂质较少，适合中学化学做演示实验或学生实验。反应方程式为：

Ca（ClO）2+4HCl=CaCl2+2Cl2↑+2H2O

2.2 实验用品

仪器：铁架台（带铁夹）、分液漏斗、Y形试管、酒精灯、硬质玻璃管、球型干燥器、导管、普通漏斗、烧杯、滤纸、胶头滴管、剪刀、止水夹、镊子、木块、石棉绒

药品：漂粉精片[Ca（ClO）2]、2 mol/L盐酸、紫色石蕊试液、品红溶液、淀粉碘化钾溶液、NaOH溶液

2.3 实验装置

实验装置见图7。

2.4 实验步骤与现象

（1）铁架台连接Y形试管，如图7搭建实验装置，检查装置气密性，在A端加入约2mL品红溶液，在B端加入约2g漂粉精片，在分液漏斗中加入适量的2 mol/L盐酸。

（2）在硬质玻璃管上取等距的C、D、E三点。对应地用剪刀把滤纸剪成大小相同的三张滤纸片C、D、E，用胶头滴管滴加石蕊试液于C、D上，其中C烘干备用。滴加淀粉碘化钾溶液于E上浸湿备用。

（3）用镊子夹取制备好的滤纸片C、D、E放在对应的硬质玻璃管的C、D、E三点。球型干燥器F处石棉绒上加入约0.1g金属钠。连接装有氢氧化钠溶液的尾气处理装置。

（4）打开止水夹和分液漏斗的上口塞和玻璃活塞，向B端加入适量的2 mol/L盐酸。待黄绿色气体充满整个装置，观察到A端品红溶液褪色，C点滤纸无明显变化，D点滤纸先变红后褪色，E点滤纸由白色变蓝色，蓝色变浅直至褪色，金属钠与氯气很容易反应，可观察到金属钠自动燃烧（可微热），发出黄色火焰，并产生白色固体。

（5）加热Y形试管A端，褪色的品红溶液不能恢复成红色。

2.5 实验结论

（1）硬质玻璃管C、D处滤纸颜色的变化和Y形试管A端品红溶液褪色，证明氯气本身没有漂白性，氯水有漂白性；加热Y形试管A端，褪色的品红溶液不能恢复成红色，证明氯水漂白性的不可逆性。

一体化：通常能在6～8分钟内一次完成氯气制备及漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质以及对氯气漂白作用的不可逆性进行验证。

防污染：采用倒置的普通漏斗能充分吸收尾气，防止污染环境，保护师生身体健康，培养学生环保意识。

节约性：该设计用试液浸湿的滤纸片与传统实验相比，既减少了试液的用量，又减少了氯气的需要量，从而节约了漂粉精片[Ca（ClO）2]和盐酸的用量。

灵活性：硬质玻璃管中C、D、E的滤纸可以换成pH试纸、滴有KSCN的新制FeCl2溶液、Na2S溶液、NaBr溶液等。球型干燥器F处可换成铜丝、铁丝，底部垫上石棉绒，可验证氯气的诸多性质。

普适性：该装置稍加改装可完成SO2等气体的制取和诸多性质的验证。例如把漂粉精片（次氯酸钙）和盐酸换成亚硫酸钠粉末和硫酸，可完成SO2气体制备及其漂白性、氧化性、酸性、还原性等性质的验证。

3 实验说明

（1）分液漏斗下端应紧贴Y形试管B端的试管壁，防止盐酸滴入品红溶液中。可在C点前安装装有CaCl2球型干燥器，吸收少量的水蒸气，排除干扰。

（2）待品红溶液褪色后，再用酒精灯加热A端，且品红溶液加入量不要过多，防止褪色现象不明显。

（3）在与金属反应时，将金属切成金属片或金属丝，有利于反应的进行，现象较明显。同时从安全性角度考虑，金属钠用量要控制在0.1g以内，且在金属下面垫上石棉绒。

（4）尾气处理的NaOH溶液浓度不宜过稀。实验结束后加热装置或在B端加入稍过量的锌粒，把剩余氯气排到尾气处理装置中，保证剩余的氯气被吸收，防止污染环境，保护师生身体健康。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2013：41.

[2]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：84.

[3]李海燕.新课标下的氯气漂白性质的实验改进[J].化学教育，2009，（10）：68.

[4]罗兵.氯气制备及性质实验装置的组合化与微型化设计[J].化学教学，2012，（5）：50.

[5]于永民.氯气的制备及其性质实验的微量化设计[J].化学教学，2013，（5）：40～42.